基于EBG的紧致型吸波覆层波导测试研究

1、引言

在微波毫米波领域，由于光子晶体结构所具有的带隙特性，从而使其在滤波，谐波抑止，电磁兼容等方面有着重要的应用价值。最初，光子晶体主要应用于光学领域，其结构主要是通过介质嵌入或镂空等技术制成。随着微波毫米波技术的发展，通过进一步的深入研究，可以在微波毫米波频段内采用金属结构阵列来实现光子晶体的特性，于是光子带隙结构(PBG)又被称为电磁带隙结构(EBG)。在EBG的研究中，通常人们关心EBG的表面波特性和反射相位特性。但是从空间波的角度来看，对电磁波入射到EBG阵列上的反射波幅度的研究同样有着重要的应用潜力。由于新型电磁结构和材料所具有的巨大实际应用前景，除了对其所新的特性进行探索研究外，研究对于一些新型电磁材料的简单、方便和有效的实验分析方法，在新型材料的设计和特性分析方面具有重要的实际意义。

通常，除了主要考察了这种电磁周期结构的表面波特性，还有意的对其空间波反射特性进行了分析。由于通常结构具有的更为明显的电抗特性，因此反射特性较差。为了有效的改善电抗表面电学特性，从而挖掘其在天线、吸波、隐身等方面的潜力，国内外均进行了大量研究。其中一种有效的方法是在相应的电磁周期结构中加载不同功能器件，进而改变波入射电磁周期阵列后的反射或导行特性，从而就可以实现特定的功能要求。

2、测试分析模型

本文将在作者课题组此前研究的Mushroom型EBG结构的基础上，对在该结构中加载贴片电阻的情况进行研究。对于传统的Mushroom型EBG周期阵列结构通过恰当的设计可以实现对于表面波的不同滤波特性，但是对于空间波由于该类型结构通常呈现电抗特性因而对空间来波的反射较大。如果用加载电阻元件的这种结构覆盖一定的空间目标，则可以通过电阻损耗掉一部分空间来波，进而在一定程度上减小该目标的散射截面。Mushroom型EBG结构是一种在印制电路板上通过腐蚀和打通孔的方式制备的一种新型电磁材料，其结构形式见图1。

图1 Mushroom型紧致EBG结构

这种电磁材料工作在微波频段，并可以呈现出带隙特性，从而可以通过与固体物理中研究光子带隙材料(PBG)相类似的方法来对其进行研究。下面将波导分析法的基础上，利用波导的高 特性，对EBG结构加载集总电阻元件进行实测研究。

表1 紧致EBG结构几何尺寸(单位：mm)

几何尺寸量值

w7.00

g0.35

r0.50

EBG结构采用课题组已有两种不同厚度的材料样品，两种样品的厚度分别为1.5mm和2.5mm，其中EBG的介质基板是相对介电常数为2.65的高频板。其它几何参数如表1所示。

图2 波导测试方法示意图

为了考察EBG的电阻加载特性，在两种不同厚度结构的窄边方向分别焊接电阻值为51Ω和200Ω的贴片电阻。两种EBG单元数为均为6×3，介质板的大小与波导口相同。实际制作的测试样品如图3所示。

由于与文献中主要考察带隙的分布特性的目的有所不同的是，这里主要关注EBG结构的反射幅度变化特性。因而在具体实验中需对实验装置进行一些改变。从前的波导分析法是通过直接将EBG加载在波导端头，但是Mushroom型EBG是通过通孔将上、下表面进行连接。如果按照原有的测试方式对EBG直接作为波导的端接负载进行测量，则将存在一定的辐射和泄漏。另外，考虑到EBG在一些应用中需要将其放置在PEC背景上，为此在原先测试方法的基础上，于EBG背面连接一短路块。

图3 加工制备的待测样品

图4 实验测试设备

3、测试结果分析

整个实验测试所用设备如图4所示。通过Agilent8719ES矢量网络分析仪所测试到了两类(四种)不同EBG加载时的单端反射系数 随频率变化的曲线。测试结构在图5a-5d中分别给出。

图5a .5cm厚度未加载情况下测试结果

图5b 1.5cm厚度加载情况下测试结果

图5 5cm厚度未加载情况下测试结果

图5d .5cm厚z度加载情况下测试结果

从测试结果可以看到，对于厚度为1.5mm的未加载电阻EBG结构，在频率大于5.5GHz的一个频段内出现了两次反射幅度约1dB的下降。当加载电阻后，从实测曲线可以看到在较宽的频段内出现了两次更多幅度的反射减弱。从测试结果图5a和5b中，可以看到在4GHz左右曲线均出现了一处变化，通过对实验装置的调整和分析可以发现，这一变化是由于实验装置存在微小能量泄漏而造成的。当加载厚度为2.5mm的两种EBG结构时，通过对比测试曲线可看到，未加载电阻的EBG结构在4.24GHz和5.25GHz处出现两处反射减弱现象，当加载200Ω电阻后，在5.4GHz左右出现一个较宽频带，该处的反射发生了较大幅度的减弱。另外，在微波波段，贴片电阻的寄生参数等因素也会对反射特性存在一定的影响。通过上面的实验表明，在原有EBG结构中加载电阻会在一定程度上减小反射的幅度。由于上面的实验在波导腔内进行测量，因此只需较小的实验环境就可以完成。当然上面实验只是通过单一的极化进行了分析，如果是实际的空间波照射还需考虑不同极化的作用。

4、结论

本文着重介绍了在通过EBG结构加载的形式实现的电磁吸波覆层实验方面的一些工作。结合测试对象的具体情况对波导测量法进行了改进，并以这种方便、快捷的实验方法对不同厚度的Mushroom型EBG单向加载结构进行了实验研究。通过加载不同阻值的贴片电阻，该电磁吸波覆层可以在一定频段内表现出较好的吸收特性。